Kupfer

Primärrohstoffe und Grundstoffe

Abbildung 1: Übersicht über die Gewinnungsrouten von Kupfer (Verändert nach ) Kupfer ist ein Schwermetall und wird zu den Buntmetallen gezählt. Es wird aus Kupfererzen gewonnen, die mittels sehr kostenintensiver Verfahren sowohl Untertage als auch im Tagebau abgebaut werden. Die hohen Kosten entstehen vor allem, da der Gehalt an Kupfer mit rund 1% bei untertägiger Förderung und rund 0,3% im Tagebau sehr gering ist. Außerdem kommt Kupfer weltweit in verschiedensten Vergesellschaftungen mit Mineralien und Metallen vor. Kupferminerale werden in sulfidische und oxidische Minerale unterteilt. Die wichtigsten sulfidischen Minerale sind Chalkopyrit (CuFeS2) und Chalkosin (CU2S), während Atacamit (CuCl2 · Cu(OH)2) und Malachit (Cu2[(OH)2|CO3]) die wichtigsten oxidischen Minerale darstellen. Darüber hinaus kommen auch polymetallische Erze wie Sphalerit (Kupfer zusammen mit Zink) und Galenit (Kupfer zusammen mit Blei) in der Kupfergewinnung zum Einsatz. Die wichtigsten Fördergebiete für Kupfer befinden sich in Chile (23,6%), Peru (10%), der Demokratischen Republik Kongo (10%) und China. In Chile befindet sich der mit 25 km Ausdehnung größte Kupfertagebau der Welt Escondida, der 5% der Primärrohstoffe fördert. Abbildung 2: Fördergebiete für Kupfer ) Seit den 1990er Jahren ist die Minenproduktion für Kupfer noch einmal deutlich angestiegen. Im Jahr 2023 lag die weltweite Minenproduktion von Kupfer bei 22 Mio. t . Für die nächsten 20 Jahre wird ein weiterer Anstieg um bis zu 50% erwartet, da Kupfer für die Energiewende eine entscheidende Ressource darstellt. Abbauverfahren Derzeit werden etwa 75% der Kupfererze im Tagebau und 25% Untertage abgebaut. Dabei werden in Oberflächennähe vorrangig oxidische Erze und in tieferen Schichten sulfidische Erze gewonnen. Der Kupferabbau lohnt sich, sobald der Kupfergehalt im Erz über 0,2% liegt. Allerdings ist der Abbau bei unter 0,5% Kupfergehalt nur im Tagebau und unter Verwendung neuester Technik wirtschaftlich. Aufgrund der geringen Kupfergehalte entstehen große Mengen Begleitgestein, die nicht weiter genutzt werden können und auch als Berge bezeichnet werden. Somit ist der technische Aufwand der Abbauverfahren und Förderung für die Kupferausbeute sehr hoch. Aufbereitung Nach dem Abbau werden die Kupfererze zunächst aufbereitet, um den Kupfergehalt im Konzentrat zu erhöhen. Ziel ist es, das Begleitgestein abzutrennen. Dafür wird das Erz zunächst im Erzbrecher zerkleinert und anschließend gemahlen. Die folgende Trennung von Kupfererz und Begleitgestein erfolgt für sulfidische und oxidische Kupfererze auf zwei verschiedenen Routen. Bei sulfidischen Erzen wird das Kupfer mittels Flotation aufkonzentriert, während bei oxidischen Erzen das Kupfer mittels Schwefelsäure herausgelaugt wird. Das gewonnene Kupferkonzentrat weist meist einen Kupfergehalt von 20% bis 30% auf. Gewinnung Die Kupfergewinnung erfolgt, wie auch die Aufbereitung, für sulfidische und oxidische Kupfererze auf zwei verschiedenen Routen. Kupfer aus sulfidischen Erzen wird schmelzmetallurgisch gewonnen, Kupfer aus oxidischen Erzen hydrometallurgisch. Die weltweite Raffinerieproduktion von Kupfer belief sich 2023 auf 26,9 Mio. t . Abbildung 3: Primärroute Kupfergewinnung Schmelzmetallurgische Gewinnung Um aus dem sulfidischen Kupferkonzentrat (20%-30% Cu-Gehalt) Rohkupfer (> 99% Cu-Gehalt) herzustellen, wird das Kupferkonzentrat schmelzmetallurgisch aufbereitet. Dieses Verfahren hat einen Anteil von ca. 80% an der weltweiten Kupferherstellung. Dabei wird das Kupferkonzentrat im ersten Schritt unter Zugabe von Schlackebildnern oxidisch eingeschmolzen. Das Produkt wird als Kupferstein bezeichnet und weist einen Kupfergehalt von bis zu 80% auf. Dieser Kupferstein wird im zweiten Schritt zu Blisterkupfer (96-99% Cu-Gehalt) konvertiert. Im letzten Schritt, der Feuerraffination, werden alle nicht Kupfer-Metalle abgetrennt und das reine Kupfer (Rohkupfer) wird mittels Elektrolyse als Kathodenkupfer gewonnen und weist den gewünschten Kupfergehalt von über 99% auf. Entlang der gesamten Prozesskette wird der Schwefelgehalt immer weiter abgesenkt, wodurch das Rauchgas Schwefeldioxid entsteht, das in der Rauchgasreinigung größtenteils aufgefangen wird und zu Schwefelsäure verarbeitet werden kann. Hydrometallurgische Gewinnung Um aus dem oxidischen Kupferkonzentrat (20-30% Cu-Gehalt) Rohkupfer (> 99% Cu-Gehalt) herzustellen, wird das Kupferkonzentrat hydrometallurgisch aufbereitet. Dieses Verfahren hat einen Anteil von ca. 20% an der weltweiten Kupferherstellung. Dabei wird das gelaugte Kupferkonzentrat mit Eisenschrott versetzt, wodurch das unedlere Eisen an die Begleitelemente bindet und in Lösung geht, sodass das Kupfer rein abgezogen werden kann. Das gewonnene Rohkupfer enthält jedoch noch Verunreinigungen, die über eine elektrolytische Raffination abgeschieden werden müssen. Umweltauswirkungen Der Kupferabbau ist aufgrund der Abbauweise und der Kupferverarbeitung mit einigen negativen Umweltauswirkungen verbunden . So entstehen durch die Verhüttung des Kupfererzes SO2-Emissionen, die über eine Rauchgasreinigung reduziert werden müssen, um die Umweltauswirkungen und Gesundheitsrisiken zu minimieren . Schwefeldioxid reizt die Schleimhäute und kann zu Atemwegsproblemen führen . Außerdem kann SO2 Pflanzen schädigen und zur Versauerung von Böden und Gewässern beitragen . Durch die Rauchgasreinigung können die SO2-Emissionen zwar auf ein Drittel reduziert, aber nicht komplett vermieden werden . Außerdem findet der Kupferabbau oft an sehr trockenen Orten wie z.B. der Atacamawüste statt. Der Kupferabbau hat einen enormen Wasserverbrauch mit teils bis zu 70% des gesamten Wasserverbrauchs der Region, was der geringen Wasserverfügbarkeit gegenübersteht. Dies kann mittel- bzw. langfristig zu Wasserverknappung führen. Auch die Wasserverschmutzung durch den Abbau von Kupfer stellt ein Problem dar, da das Abwasser zum Schutz der Umwelt und zur Erfüllung der steigenden Nachfrage nach Wasser immer aufwendiger aufbereitet werden muss. Ziel ist es, Abwasser aus dem Kupferabbau möglichst im Kreis zu führen.

Produktion

Halbzeugherstellung Das gewonnene Rohkupfer wird im nächsten Schritt zu Halbzeugen weiterverarbeitet, was als Zwischenschritt zur Fertigung des Endprodukts dient. Dabei lässt sich die Rohkupferverarbeitung in die folgenden vier Stufen einteilen: Schmelzen und Gießen Warmumformen Kaltumformen Endbearbeitung Beim Schmelzen und Gießen werden die Kupferwerkstoffe in die gewünschte Form gebracht, z.B. Walzplatten oder Pressbolzen. Dafür werden die Werkstoffe zunächst im elektrischen Induktionsofen geschmolzen. In der Schmelze wird die Legierung bestimmt und genau eingestellt. Anschließend wird die Schmelze über Stranggießanlagen in die gewünschte Form gegossen. Beim Warm- und Kaltumformen werden die Walzplatten und Pressbolzen zu den verschiedenen Halbzeugarten wie z.B. Blechen, Rohren oder Drähten umgeformt. Bei der Endbearbeitung werden die Halbzeuge auf das gewünschte Format zugeschnitten, abschließend bearbeitet, mit z. B. Lacken, sodass das fertige Produkt entsteht. Die Produktion von Kupfer und Kupferlegierungen lag in der EU im Jahr 2022 bei ca. 5,6 Mio. t. In China wurden mit 15 Mio. t die meisten Kupferprodukte hergestellt. Abbildung 4: Produktion von Kupfer und Kupferlegierungen nach Region (im Jahr 2022)

Nutzung

Kupfer kommt aufgrund seiner Eigenschaften in vielen verschiedenen Anwendungen zum Einsatz. Seine gute Verarbeitbarkeit und hohe Langlebigkeit machen Kupfer zu einem wichtigen Material im Automobil- und Maschinenbau. Im Zuge der Energiewende gewinnt Kupfer aufgrund seiner guten elektrischen und Wärmeleitfähigkeit immer mehr an Bedeutung. Im Jahr 2022 kam Kupfer weltweit am häufigsten im Anlagenbau zum Einsatz, dicht gefolgt vom Bauwesen (vgl. Abbildung 5). Dabei wurden 64% des Kupfers zu Kabeln und Drähten verarbeitet. Abbildung 5: Anwendungen von Kupfer: links: Erstanwendung (Halbzeugproduktion), rechts: Verwendung nach Anwendungsgebieten In Deutschland entfällt der Kupferbedarf hauptsächlich auf die Elektrobranche. Im Jahr 2022 wurden dort 57% des in Deutschland verwendeten Kupfers eingesetzt (vgl. Abbildung 6). Hauptanwendungen sind dabei Verkabelungen, Wickelspulen von Generatoren und Kontaktelemente. Der Baubereich machte mit 15% einen deutlich kleineren Anteil aus als im weltweiten Schnitt, ist jedoch auch in Deutschland die zweitwichtigste Kupferanwendung. Hier kommt Kupfer vor allem beim Bau von Dächern und Wänden zum Einsatz. Abbildung 6: Kupferbedarf in Deutschland nach Hauptanwendungsgebieten Für die kommenden Jahre wird ein steigender Kupferbedarf durch die erhöhte Produktion von Elektrofahrzeugen erwartet. Laut Schätzungen von IDTechEX werden im Jahr 2030 mehr als 250.000 t Kupfer für Wicklungen bei elektrischen Traktionsmotoren benötigt (vgl. Abbildung 7). Abbildung 7: Kupferbedarf in Traktionsmotoren für elektrische Straßenfahrzeuge

Recyclingrohstoff

Aufgrund des steigenden Bedarfs an Kupfer gewinnt auch das Kupferrecycling immer mehr an Bedeutung. Hier wird sich anstatt der natürlichen Lagerstätten von Kupfer dem anthropogenen Lager bedient. Dies wird auch als Urban Mining bezeichnet. Hierbei werden Kupferprodukte aus anthropogenen Vorkommen wie Gebäuden, Infrastruktur, Industrien und Produkten genutzt. In Europa werden bereits 50% des Kupfers zur Produktion aus Recyclingquellen gewonnen . Durch den Einsatz von Kupferschrott können 85% des Energieverbrauchs im Vergleich zur Primärproduktion eingespart werden . Dies führt zu einer Reduktion der CO2-Emissionen um 65% . Weltweit werden ca. 30% aller Kupferprodukte aus Kupferschrott gewonnen , der Anteil an Sekundärkupfer in Deutschland liegt bei 40% . Recyclingprozess Der Recyclingprozess von Kupferschrotten unterscheidet sich je nach deren Reinheit. Weisen Kupferschrotte eine Reinheit von über 99% auf, können diese direkt im Kupferwerk weiterverarbeitet werden. Dabei handelt es sich beispielsweise um sortenreine Produktionsabfälle. Kupferschrotte mit höheren Anteilen an Verunreinigungen können an verschiedenen Stellen der Kupferroute dem Recyclingprozess zugeführt werden. Schrotte mit Kupfergehalten < 50% durchlaufen alle Aufbereitungsstufen, während bessere Qualitäten erst in späteren Schritten dazugegeben werden (vgl. Abbildung 8). Dabei orientiert sich der Recyclingprozess an den Stufen (und Reinheiten) der Primärkupferherstellung für sulfidische Erze. Kupferhaltige Sekundärrohstoffe und Schlacken mit einem Kupfergehalt von < 50% werden im ersten Schritt reduzierend eingeschmolzen, um eisen- und zinkhaltige Fraktionen abzutrennen. Der dort entstehende Kupferstein wird zusammen mit Kupferlegierungen (50-80% Cu) in eine oxidische Schmelze gegeben und konvertiert. Dabei werden blei- und zinnhaltige Schlacken abgetrennt. Das Produkt, das so genannte Blisterkupfer, wird mit Kupferschrotten und Sonderlegierungen (85-99% Cu) dem Anodenofenprozess zugeführt und anschließend als Anodenkupfer über eine Raffinationselektrolyse aufgereinigt. Während des Recyclingprozesses können an verschiedenen Stellen Nebenprodukte gewonnen werden. So können unedlere Metalle wie Eisen, Magnesium und Lithium über die Schlacke zurückgewonnen werden. Während der Elektrolyse können Edelmetalle wie Silber und Gold aus dem Anodenschlamm abgetrennt und weiterverwertet werden. Außerdem muss die Gasphase von Kohlenstoff, Schwefel und Halogenen gereinigt werden, um schädliche Abgase zu vermeiden. Die Nebenprodukte der (sulfidischen) Kupferroute finden beispielsweise Anwendung im Wasser- und Straßenbau (Eisensilikat), in der Zinkrückgewinnung, in Katalysatoren (Nickelsulfat) und der Edelmetallindustrie (Gold, Silber). Abbildung 8: Übersicht über den Kupferrecyclingprozess und die rückgewinnbaren Fraktionen Erschwert wird das Kupferrecycling oft durch die sehr geringen Kupferanteile in Produkten. So liegt der Anteil von Kupfer in Elektromotoren beispielsweise nur bei 11,7% (vgl. Abbildung 9, links). Außerdem entstehen durch die Kupferdrähte- und Spulen im Shredderprozess die sogenannten Meat-Balls (vgl. Abbildung 9, rechts), die Agglomerate aus Eisen und Kupfer sind. Hier ist ein weiterer Aufschluss vor dem Recycling nötig. Erfolgt kein Aufschluss, landen die Meatballs über die Magnetscheidung in der eisenhaltigen Fraktion, was ein Recycling des Kupfers unmöglich macht und gleichzeitig die Qualität der Eisenfraktion reduziert. Abbildung 9: Kupfer aus Elektromotoren (eigene Darstellung, ANTS)

Proben im MassLab

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